10kV单元串联型高压变频器在泵站中的应用

邓飞

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义563002)

摘要：绿塘水库泵站建设中的高压变频器为单元串联型，其通过单元串联多电平技术控制高压变频调速系统，属高—高电压源型变频器。对应用结果的分析研究发现，采用高压变频器控制水泵设备的运转速度，可很好地达到节能改造的目的，提高经济效益。

关键词：10kV单元串联型；高压变频器；泵站

中图分类号：TN773

Application of 10kV Unit Series High-voltage Inverter in Pumping Station

DENG Fei

(ZunyiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Zunyi563002,China)

Abstract：Unit series form is adopted in high voltage inverter in Lvtang Reservoir Pumping Station construction. High voltage frequency control system is controlled through unit series multi-level technology, which belongs to high-high voltage source type inverter. Analysis and study on application results show that high-pressure inverter can be adopted for controlling operation speed of water pump equipment, thereby better achieving the purpose of energy-saving rebuilding and improving economic benefits.

Keywords：10kV unit series type; high voltage inverter; pump station

作为一种较新的电力传动调速技术，在实际工作中，主要用于交流电动机中，对其进行变频调速控制。高压交流变频调速技术的发展比较迅速，当前我国许多高压变频器的技术水平已和世界接轨。而在高压变频调速技术中，单元串联多电平高压变频器的诞生，又使其得到进一步提升。通过多重化的技术实现对设备变频调速控制，通过新的无谐波波形观察设备工作的具体情况，有效地降低了能源损耗，是目前比较先进的高压变频调速技术。

1泵站日常工作情况

绿塘水库泵站设计供水能力2.9m3/s，泵站安装了3台10kV的水泵机组，装机容量3×1120kW，其中1台备用。泵站通过直径1.5m、长639m的取水管从库内取水直接引至水泵进口，经直径1300mm、长503m的上水管将水送到上水池，然后以重力流输水管道形式，将水输至相应的水厂。图1为绿塘水库泵站主接线图。

图1　绿塘水库泵站主接线

工作中水泵的阀门开度为75%，以此进行水压控制，同时为了进一步控制水压，对叶轮进行切削；由于泵站采用直配供电方式，故采用变频启动兼作运行控制方式。实际应用中，其中一套管道采用工频泵，并保持其阀门全开，将另一套管道水泵的叶轮配置恢复原状。采用变频器控制管道的取水量，按照用水量的要求进行水量的调节。工作中具体的水泵电机参数为：额定电压10kV，额定电流75A，额定功率1120kW。实际工作中的电流为74~80A，功率因数为0.86。对水泵叶轮进行切削，通过对水泵的调速达到降低水泵特性曲线的效果，具有节能的作用。但在实际工作中，考虑到水压和水量因素，大多采用阀门对水泵取水进行调节。在运用阀门进行水泵取水量控制的过程中，本身耗能比较大，而且阀门开度越小耗能越多。

对绿塘水库泵站水泵的日常工作研究分析发现，水泵的实际工作流量与额定流量相差甚远，工作效率低；而采用阀门控制水量的方法，耗能较严重。因此，为降低能耗和提升工作效率，采用与工作额定电压相符的单元串联型高压变频器对水泵进行转速调节，实现泵站水泵最佳工作效果。

2单元串联型高压变频器的技术特点

此次新建绿塘水泵站工程，采用的高压变频器为某公司的ARSVERT-A10/080功率单元串联多电平高压变频器，主要组成部分包括功率模块、控制器、移向变压器；采用IGBT功率器件进行全数字化微机控制，不仅具有较高的可靠性，也使其操作方法更加简便，工作性能更加稳定。单元串联型高压变电器的内部系统结构包括以下部分：

a. 功率模块结构。该结构主要由低压绝缘栅双极型晶闸管逆变桥、电容器组，以及不可控二极管整流三相全控桥等相关器件组合而成，形成交-直-交单向逆变电路，在日常工作中，采用正弦脉冲控制低压绝缘栅双极型晶闸管逆变桥，可通过功率单元输出正弦脉冲波形，由于功率单元的结构相同，因此，可以对其进行随意的互换；如果在工作过程中功率单元发生故障，可对其IGBT信号进行封锁，导通旁路的SCR，以此来隔离故障功率单元。通过此种方法既能实现故障功率单元的诊断，又能保障其他正常功率单元的正常运行。

b.输入侧结构。该结构通过移向变压器向系统内部的每个功率模块供应电力，三组移动变压器副边绕组的电流整流方式，按照电压、功率模块串联的级数，形成48脉冲的多级叠加形式。这种模式可有效改善电流波形，保障工作过程中网侧电压功率在标准水平，减少采用谐波抑制装置或使用功率因数补偿的办法。

c. 输出侧结构。该结构给电机供电的主要形式为每个功率模块的U、V输出端子相互连接形成串联的星形接法形式。在对每个功率单元的正弦脉冲宽度调整波形的重组过程中，得到阶梯形的正弦脉冲宽度调整波，由于该波形对于电机和电缆的绝缘性无伤害，因此不需要采用滤波器输出；该波形还可对输出电缆长度进行延伸。实际应用中，对于普通电机可直接采用该波形。

d. 控制器。主要由嵌入式人机界面、PLC，以及DSP芯片组成，通用DSP芯片控制正弦脉冲波形，嵌入式人机界面可为使用者提供中文操作使用界面；此外还能进行远程监控、网络化控制，以及对波形输入输出资料的采集。

采用高压变频器，通过对功率因数的提升，减少无功补偿装置的应用频率，在满足工作需求的同时节约运营成本。由于高压变频器是通过对电机转速的调节来实现能耗的节约，因此，当实际工作中的具体负荷率处于低位时，水泵电机转速也随之降低，可以很好地降低水泵抽水系统相关设备的磨损程度，增加其使用寿命，一定程度上也降低了设备维修的成本费用。采用高压变频器，在启动电机时可通过软启动的方式使其启动电流保持在额定电流的1.2倍以下，这样能有效降低启动电流对电网的冲击，增加电机的使用寿命。比较传统的水泵供水系统，高压变频器的保护功能相对较多，具体为短路保护、过流保护、过压保护、温升保护、欠压保护、缺相保护等，其对电机的保护更加全面完善。

3应用高压变频调速技术促进水泵节能

3.1高压变频调速技术的工作节能原理

由下页图2可知，当水泵所需流量由Q1降低为Q2时，若采用传统的阀门调节方法，则会增加管网的阻力，导致代表管网特性的曲线不断上升，而系统的运行工况点也会发生改变，其轴功率和流量面积为正比关系。若采用变频调速控制技术，使水泵的转速从m1降低到m2，此时对管网的特性没有影响，仅水泵特性、系统工况发生改变，此时，水泵的轴功率和流量面积为正比例关系。

3.2泵站水泵变频调节具体分析

对此次水泵的工频运行功率进行分析，其公式为P1=UI×1.732cosφ=10×80.8×1.732×0.73=1022kW。其中，额定的电机功率因数为0.84，工作运行过程中的功率因素近似值为0.73。根据泵站工作

图2　绿塘水库泵站水泵运行曲线(转速990r/min)

4采用高压变频调速系统应注意的问题

平时工作中应注意高压变频器的可靠性和变频器输入谐波。如果变频器的输入电流谐波较大，会导致许多问题，如增加测量仪器仪表的误差，影响电子计算机等装置系统正常工作，增大电动机、变压器等设备损耗程度。传统普通的电动机直接设计成电网运行，再加上电网电压波形大都为正弦波，在变频器波形输出质量较差的情况下，很容易对其造成影响。输出谐波引起电动机发热，使其转矩脉动、噪音增加，而输出dV/dt共模电压也会对电动机绝缘特性造成影响。此次改造水泵所使用的高压变频器，其输出波形质量较高，实际工作中不必采用输出滤波器也可使用普通电动机。此外，还应注意高压变频器进线、出线刀闸以及旁路刀闸集成柜的选择，根据辅机设备重要程度选择高压变频器。注重高压变频器冷却电源装置的配置。冷却风扇停止工作时，其功率单元会因超温而导致变频器停止工作，对此采用冷却电源可有效保障变频器正常工作。对于变频器的冷却电源，应为两套不同低压段独立供电电源。对高压变频器及其变压器柜、功率柜滤网定期打扫，使其保持清洁，避免因灰尘阻塞滤网而导致冷却效果降低，从而造成功率单元温度增加，最终使高压变频器停止工作。采用高压变频器进行水泵转速控制时，要尽量创造良好的工作环境，应在其工作室内配置空调设备，保证工作环境干燥通风、卫生整洁。

5结语

高压变频器优点较多，在实际工作中采用单元型串联高压变频器，严格把握各方面的技术要求，可有效实现提升工作效率、降低能耗的目标。

参考文献

[1]杜贤国，郭培彬，韩文昭.高压变频器在冷却水循环泵上的应用[J].变频器世界，2005(7):11-12.

[2]陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京：机械工业出版社,2003.